特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析

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图 1 猫头形“M”串单回塔 Fig.1 Single circuit tower of “M” string
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人体计算模型的建立 计算分析特高压输电线路电磁场在人体 内的 感应电流时，人体模型的电气参数主要是电导率、 介电常数和磁导率，人体的相对磁导率近似为 1。 人体不同器官的电导率不同，人体不同器官在 工频下的电导率如表 1 所示[25]。
表 1 人体不同器官的电导率 Tab.1 Electrical conductivity of different organs in human body
器官 肺 肝 内脏 头 脑 心脏 0.07 脊骨 0.01 胳膊 0.1 腿 0.1 电导率/(S/m) 0.1 0.1 0.03 0.05 0.07
第 31 卷 第 13 期 2007 年 7 月 文章编号：1000-3673（2007）13-0007-04
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM153 文献标识码：A
Vol. 31 No. 13 Jul. 2007 学科代码：470·4034
特高压交流输电线路工频磁场在人体内的 感应电流密度计算分析
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min=0.278×10 max=0.001018 4 0.278×10− 3 0.138×10− 3 0.248×10− 3 0.358×10− 0.468×10−3 0.578×10−3 0.688×10−3 3 0.798×10− 3 0.908×10− 0.001018
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计算特高压输电线路下人体的感应电流时，不考虑 人体不同器官间电导率的差异，假定人体由均匀介 质构成， 其电导率为 0.1 S/m， 相对介电常数为 106。 人体计算模型中各部分的参数为：头部由 2 部 分构成，头的下部为半径 10 cm、高 10 cm 的圆柱， 头的上部为半径为 10 cm 的球寇； 颈部为半径 6 cm、 高 6 cm 的圆柱；腰部为半径 20 cm、高 60 cm 的圆 柱；腿部为半径 15 cm、高 90 cm 的圆柱。人体的 总高度为 176 cm，取人体的电导率为 1 S/m，相对 介电常数为 106，如图 2 所示。假定人体位于输电 线路下方正对中线的位置(如图 3 所示)。
根据文献[26]的研究，人体内活组织的相对介 电常数与频率的关系较大，50 Hz 电场环境下人体 内 活组织的相对介 电常数 约 105~2×106( 大脑和 肺 约 106，脂肪约 105，而血液约为 2×106)。本文在
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引言
电 力系统及其联 网的发 展与掌握更 高电压等 级的输电工程密切相关，特高压输电工程由于具有 输送距离远、输送能力大等优点而将成为我国电网 发展的强劲动力[1-10]。 然而特高压输电系统在其周 围所产生的交变电磁场可能引起的无线电、电视干 扰和可听噪声以及对处于其周围 的人体生理和心 理影响，愈来愈被人们所关注。人体处于输电线路 附近时，工频交变电磁场会 在人体内 产生感应电 流，当感应电流密度超过一定限值时，人体将产生 不适感，甚至对人体神经细胞和组织造成刺激和其 他 影响， 其 中处于输电线路下方的电磁场强 度 最 大。因此，研究特高压输电线路对附近人体的感应 电流及最小对地距离的影响因素十分必要[11-16]。 电磁场对人体的影响 主要表现为身 体 因 吸收 电磁能量而发热 以及 交变电磁场产生的感应电流 对细胞 和 组织的刺激。感应电流密度 等 于或超过 2 10mA/m 时细胞组织可能受到刺激，部分低频似稳 场对神经组织的刺激极为明显；但人体内的许多补 偿性机 能 调节使 得受 刺激的频 率从初 值 升高 到 约 100 倍时并不损害人体器官[17-20]。
第 31 卷 第 13 期
电 网 技 术
min=0.278×10 max=0.001018 4 0.278×10− 3 0.138×10− 3 0.248×10− 3 0.358×10− 3 0.468×10− 3 0.578×10− 3 0.688×10− 3 0.798×10− 3 0.908×10− 0.001018
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线路参数 假设某 1000 kV 特高压架空输电线路的铁塔如 图 1 所示(图中数字单位为 mm)，导线采用六分裂 LGJ-630/45 型，子导线直径为 33.6 mm，分裂间距 为 0.4 m， 导线对地高度 25 m， 相导线电流为 3600 A。
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王建华等：特高压交流输电线路工频磁场在人体内的感应电流密度计算分析
Vol. 31 No. 13
国内外的科研工作者已对输电线路周围的电磁 场在人体内的感应电流进行了大量研究， 但所使用的 计算模型简化较多。 本文采用交变涡流场的三维有限 元计算方法 ，根据实际空间位置建立了 1000 kV 特高压输电线路及线路下人体的计算模型，计算特 高压输电线路磁场在人体内 感应电流的 大小及 分 布特点。并根据文献[17]提出的人体安全电流密度 2 限值 10 mA/m ， 分析了影响人体内交变磁场感应电 流的因素和大小，判断磁场值是否为输电线路对地 最小高度的控制因素。
WANG Jian-hua，WEN Wu， RUAN Jiang-jun
（School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei Province，China） ABSTRACT: At present, influence of AC magnetic field on human body and zoological environment becomes a focus problem concerned by human beings gradually. The alternating electromagnetic field of UHV transmission line will induce current within human body while human body is under Ultra-High Voltage (UHV) transmission line; when the density of induced current exceeds a certain limitation, it will affect human health caused by the stimulation or damage of nerve cell tissue because the energy of electro-magnetic field absorbed by human body turns into heat energy and leads to fever of human body. By means of finite element analysis in three-dimension vortex field, the inductive current within human body induced by power frequency alternating magnetic field under 1000kV transmission line is calculated; the distribution feature of induced current distributed within human body as well as the principal factors impacting the value of induced current within human body are analyzed. Research results show that under the power frequency magnetic field of 1000kV transmission line, the density of induced current within human body is far less than the safety limit of body current density 10mA/m2. Thus, the conclusion obtained from this research is that the controlled condition of least height to earth for 1000kV transmission line does not depend on the induced value of magnetic field. KEY WORDS: ultra-high voltage；transmission line；power frequency magnetic field；induced current 摘要： 人体处于特高压输电线路附近时， 输电线路的交变电 磁场将在人体中产生感应电流， 当感应电流密度超过一定限 值后， 人体由于吸收电磁场能量而发热并对神经细胞组织造 成刺激或损伤， 影响人体健康。 采用三维涡流场的有限元分 析方法计算了 1000 kV 输电线路下方工频交变磁场在人体 中的感应电流， 分析了人体感应电流密度的分布特点， 以及 影响人体磁场感应电流大小 的主要因素。研究表明 ，在 1000 kV 特高压输电线路工频磁场作用下，人体内感应电流 密度远小于人体电流密度安全限值 10 mA/m2。得出了磁场 感应值不是 1000 kV 特高压输电线路最小对地高度的控制 条件的结论。 关键词：特高压；输电线路；工频磁场；感应电流
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其中∇(1/µ ∇·A) 是为了保证库仑规范而加的罚项。 应用 A,A- φ法对涡流场进行分析具有明显的优 点 ：①A,φ的唯一性 得到保证，因而对于 任何似稳 场均能得到稳定的数值解；②内部边界条件均为自 然边界条件，在有限元离散时可自动满足，无须作 特殊处理；③可应用于多连通导体区域的情况。但 由于 A,A-φ法中，涡流区每个节点有 4 个未知数， 非涡流区每个节点上有 3 个未知数，因而总的未知 数数量较多，计算量较大。